连续变倍体视显微镜共用前置物镜的设计

　　1　引　言

　　连续变倍体视显微镜的结构形式有两种:一类是倾斜光路系统,如图1(a)所示;另一类是平行光路系统,如图1(b)所示。

　　比较这两种形式发现,后者有明显的优势。因为这种形式的连续变倍体视显微镜,在共用前置物镜和变倍系统之间、变倍系统和镜筒透镜之间均为平行光,因此,在变倍系统和镜筒透镜之间可以配置摄影、摄像、彩色电视显示及图像分析处理等装置,使显微镜功能多样化及扩大使用范围。以下主要讨论这种显微镜中消色差共用前置物镜的光学特性的特点和设计方法。

　　2　共用前置物镜的光学特性的特点

　　图2中的共用前置物镜、ZOOM及镜筒透镜构成组合显微镜,视观察物体y,经组合显微镜在目镜物方焦平面成一共轭像y′,因此,组合显微镜的垂轴放大率:

   （1）

式(1)中f′镜筒为镜筒透镜的焦距;f′0为共用前置物镜的焦距;βz为ZOOM的垂轴放大率,从式(1)可以看出β组随βz变化而变化。而像高y′是始终不变的,当βz小时,线视场y大,即低倍时观察范围大;反之当βz大时,线视场y小,即高倍时观察范围小。换言之,当倍率由低到高连续变化时,视场由大到小连续变化。

　　对ZOOM来说,平行光入射后以平行光出射,可视为望远镜系统,图2中前固定组1、变倍组2和补偿组3组合成望远镜物镜,后固定组4为“目镜”,组合望远镜物镜焦距f组z′为

式中f′1为前固定组1焦距;β23为2和3组合垂轴放大率。

根据望远镜的放大率公式[1]

式中f′4为后固定组4焦距,将式(2)代入式(3)得出:

本设计取f′1=f′4,上式变为

根据望远镜系统视放大率与入瞳直径Dz和出瞳直径D′z的关系,得出

　　根据式(5),高倍时 Γz max= β23 max= Dz/D′z max>1,Dz>D′z,前固定组的轴向光束口径最大,其镜框为孔径光阑;同理可知,低倍时,后固定组的镜框为孔径光阑。由此可见,不同倍率时孔径光阑位置是不同的,Dz大小也随之连续变化。由图2可以看出ZOOM的入射光束即是共用前置物镜的出射光束,ZOOM的入瞳即是共用前置物镜的出瞳。因此,在变倍过程中前置物镜的孔径光阑位置和相对孔径是不断变化的。共用前置物镜为左右两支光路共用,两路光轴之间有一定的距离要求,因此共用前置物镜的实际口径为图2所示的D,而进入共用前置物镜成像的有效轴向光束口径为D0,有效相对孔径为D0/f′0。

　　3　共用前置物镜的设计

　　满足上述光学特性,首先要选择合适的结构类型。物镜结构类型是根据系统的成像质量和光学特性要求决定的。ZOOM体视显微镜倍率变化时,前置物镜的视场和相对孔径不断变化,低倍时视场最大,相对孔径最小;高倍时视场最小,相对孔径最大。为了兼顾各种倍率的成像质量,取低倍的视场,高倍的相对孔径作为前置物镜的光学特性要求。相对孔径为D/f′0,其中D是满足高倍时有效光束口径D0所需前置物镜的实际通光口径。